缓冲溶液的配置及原理.docx
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缓冲溶液的配置及原理
常用缓冲溶液的配制&缓冲溶液原理
(一)甘氨酸-盐酸缓冲液(mol/L)
X毫升mol/L甘氨酸+Y毫升mol/LHCl,再加水稀释至200毫升。
pH
X
Y
pH
X
Y
50
50
50
50
50
50
50
50
甘氨酸分子量=。
mol/L甘氨酸溶液含15.01g/L。
(二)邻苯二甲酸-盐酸缓冲液(mol/L)
X毫升mol/L邻苯二甲酸氢钾+Y毫升mol/LHCl,再加水稀释至20毫升。
pH(20C)
X
Y
pH(20C)
X
Y
5
5
5
5
5
5
5
5
5
邻苯二甲酸氢钾分子量=。
mol/L邻苯二甲酸氢钾溶液含g/L。
(三)磷酸氢二钠曲檬酸缓冲液
pH
mol/L
mol/L
pH
mol/L
mol/L
Na2HPO4(mL)1
柠檬酸(mL)
Na2HPO4(mL)
柠檬酸(mL)
Na2HPO4分子量=;mol/L溶液为28.40g/L。
Na2HPO4・2H2O分子量=;mol/L溶液为35.61g/L。
Na2HPO4-12H2O分子量=;mol/L溶液为71.64g/L。
C6H8O7H2O分子量=;mol/L溶液为21.01g/L。
(四)柠檬酸-氢氧化钠-盐酸缓冲液
pH
钠离子浓度
(mol/L)
柠檬酸(g)
C6H8O7H2O
氢氧化钠(g)
NaOH97%
盐酸(mL)HCI(浓)
最终体积
(L)①
210
84
160
10
210
83
116
10
210
83
106
10
210
83
45
10
245
144
68
10
285
186
105
10
266
156
126
10
①使用时可以每升中加入1克酚,若最后pH值有变化,再用少量50%氢氧化钠溶液或浓盐酸调节,冰箱保存。
(五)柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(mol/L)
pH
mol/L
柠檬酸(mL)
mol/L
柠檬酸钠(mL)
pH
mol/L
柠檬酸(mL)
mol/L
柠檬酸钠(mL)
柠檬酸:
C6H8O7H2O分子量=;mol/L溶液为g/L。
柠檬酸钠:
Na3C6H5O72H2O分子量=;mol/L溶液为g/L。
(六)醋酸-醋酸钠缓冲液(mol/L)
pH(18C)
mol/L
NaAc(mL)
mol/L
HAc(mL)
pH(18C)
mol/L
NaAc(mL)
mol/L
HAc(mL)
NaAc3H2O分子量=;mol/L溶液为27.22g/L。
冰乙酸mL稀释至1L(需标定)。
(七)磷酸二氢钾-氢氧化钠缓冲液(mol/L)
X毫升mol/LKH2PO4+Y毫升mol/LNaOH加水稀释至20毫升。
pH(20C)
X(mL)
Y(mL)
pH(20C)
X(mL)
Y(mL)
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
(八)磷酸盐缓冲液磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲液(mol/L)
pH
mol/L
Na2HPO4(mL)
mol/L
NaH2PO4(mL)
pH
mol/L
Na2HPO4(mL)
mol/L
NaH2PO4(mL)
Na2HPO4・2H2O分子量=;mol/L溶液为35.61g/L。
Na2HPO4・12H2O分子量=;mol/L溶液为71.64g/L。
NaH2PO4-H2O分子量=;mol/L溶液为27.6g/L。
NaH2PO4-2H2O分子量=;mol/L溶液为31.21g/L。
(九)巴比妥纳-盐酸缓冲液
pH
(18C)
mol/L
巴比妥钠
(mL)
mol/L
HCl(mL)
PH
(18C)
mol/L
巴比妥钠
(mL)
mol/L
HCl(mL)
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
巴比妥钠分子量=;mol/L溶液为g/L。
(十)Tris-HCI缓冲液(mol/L)
50毫升L三羟甲基氨基甲烷(Tris)溶液与X毫升L盐酸混匀并稀释至100毫升。
pH(25C)
X(mL)
pH(25C)
X(mL)
Tris分子量=;mol/L溶液为12.114g/L。
Tris溶液可从空气中吸收二氧化碳,使用时注意将瓶盖严。
(十^一)、硼酸-硼砂缓冲液mol/L硼酸根)
pH
mol/L
硼砂(mL)
mol/L
硼酸(mL)
pH
mol/L
硼砂(mL)
mol/L
硼酸(mL)
硼砂:
Na2B4O710H2O分子量=;mol/L溶液(等于mol/L硼酸根)含g/L。
硼酸:
H3BO3分子量=;mol/L的溶液为g/L。
硼砂易失去结晶水,必须在带塞的瓶中保存。
(十二)甘氨酸-氢氧化钠缓冲液(mol/L)
X毫升mol/L甘氨酸+Y毫升mol/LNaOH加水稀释至200毫升。
pH
X(mL)
Y(mL)
pH
X(mL)
Y(mL)
50
50
50
50
50
10
50
50
50
50
50
甘氨酸分子量=;mol/L溶液含g/L
(十三)硼砂-氢氧化纳缓冲液(mol/L硼酸根)
X毫升mol/L硼砂+Y毫升mol/LNaOH加水稀释至200毫升。
pH
X(mL)
Y(mL)
pH
X(mL)
Y(mL)
50
50
50
50
50
50
硼砂Na2B4O710H2O分子量=;mol/L硼砂溶液(等于mol/L硼酸根)为g/L。
(十四)碳酸钠-碳酸氢钠缓冲液(mol/L)(此缓冲液在Ca2+、Mg2+存在时不得使用).
pH
mol/LNa2CO3
(mL)
mol/LNaHCO3
(mL)
20C
37C
1
9
2
8
3
7
4
6
5
5
6
4
7
3
8
2
9
1
Na2CO310H2O分子量=;mol/L溶液为28.62g/L。
NaHCO3分子量=;mol/L溶液为8.40g/L。
============================(2007年6月16日更新)
缓冲溶液的理论知识:
一、缓冲溶液与缓冲作用原理
(一)缓冲作用与缓冲溶液
纯水在25C时PH值为,但只要与空气接触一段时间,因为吸收二氧化碳而使PH值降
到左右。
1滴浓盐酸(约L-1)加入1升纯水中,可使[H+]增加5000倍左右(由X10-7增至5X10-4moL-1),若将1滴氢氧化钠溶液(L-1)加到1升纯水中,PH变化也有3个单位。
可见纯水的PH值因加入少量的强酸或强碱而发生很大变化。
然而,1滴浓盐酸加入到1升
HOAc-NaOAc混合溶液或NaH2PO4-Na2HPO4混合溶液中,[H+]的增加不到百分之一(从X10-7增至X10-7molL-1),PH值没有明显变化•这种能对抗外来少量强酸强碱或稍加稀释不引起溶
液PH值发生明显变化的作用叫做缓冲作用;具有缓冲作用的溶液,叫做缓冲溶液。
(二)缓冲溶液的组成
缓冲溶液由足够浓度的共轭酸碱对组成。
其中,能对抗外来强碱的称为共轭酸,能对抗外来强酸的称为共轭碱,这一对共轭酸碱通常称为缓冲对、缓冲剂或缓冲系,常见的缓冲对主要有三种类型。
1.弱酸及其对应的盐例如,HOAc-NaOAc(实际上是OAc-);H2CO3-NaHCO3;H2C8H4O4-KHC8H4O4(邻苯二甲酸-邻苯二甲酸氢钾);H3BO3-Na2B4O7(四硼酸钠水解后产生H2BO-3)。
2.多元弱酸的酸式盐及其对应的次级盐,例如,NaHCO3-Na2CO3NaH2PO4-Na2HPO4;NaH2C5HO7(柠檬酸二氢钠)-Na2HC6H5O7;KHC8H4O4-K2C8H4O4
3.弱碱及其对应的盐例如NH3-NH+4CL-;RNH2-RNH+3A-(伯胺及其盐);Tris-TrisH+A-(三羟甲基烷及其盐)。
(三)缓冲溶液的作用原理
现以HOAc-NaOAc缓冲溶液为例,说明缓冲溶液之所以能抵抗少量强酸或强碱使PH稳
定的原理。
醋酸是弱酸,在溶液中的离解度很小,溶液中主要以HOAc分子形式存在,OAc-
的浓度很低。
醋酸钠是强电解质,在溶液中全部离解成Na+和OAc-,由于同离子效应,加
入NaOAc后使HOAc离解平衡向左移动,使HOAc的离解度减小,[HOAc]增大。
所以,在HOAc-NaOAc混合溶液中,存在着大量的HOAc和OAc-。
其中HOAc主要来自共轭酸HOAc,
OAc-主要来自NaOAc。
这个溶液有一定的[H+],即有一定的PH值。
在HOAc-NaOAc缓冲溶液中,存在着如下的化学平衡:
在缓冲溶液中加入少量强酸(如HCL),则增加了溶液的[H+]。
假设不发生其他反应,
溶液的PH值应该减小。
但是由于[H+]增加,抗酸成分即共轭碱OAg与增加的H+结合成HOAc,破坏了HOAc原有的离解平衡,使平衡左移即向生成共轭碱HOAc分子的方向移动,直至建
立新的平衡。
因为加入H+较少,溶液中OAc■浓度较大,所以加入的H+绝大部分转变成弱酸HOAc,因此溶液的PH值不发生明显的降低。
在缓冲溶液中加入少量强碱(如NaOH),则增加了溶液中OH-的浓度。
假设不发生其他
反应,溶液的PH值应该增大。
但由于溶液中的H+立即加入的OH纟吉合成更难离解的H2O,
这就破坏了HOAc原有的离解平衡,促使HOAc的离解平衡向右移动,即不断向生成H+和
OAc-的方向移动,直至加入的OH-绝大部分转变成H2O,建立新的平衡为止。
因为加入的OH—少,溶液中抗碱成分即共轭酸HOAc的浓度较大,因此溶液的PH值不发生明显升高。
在溶液稍加稀释时,其中[H+]虽然降低了,但[OAc-]同时降低了,同离子效应减弱,促使HOAc的离解度增加,所产生的H+可维持溶液的PH值不发生明显的变化。
所以,溶液具有抗酸、抗碱和抗稀释作用。
多元酸的酸式盐及其对应的次级盐的作用原理与前面讨论的相似。
例如,在
NaH2PO4-Na2HPO4溶液中存在着离解平衡:
HPO2-4是抗酸成分,通过平衡移能对抗外加酸的影响。
H2PO2-4是抗碱成分,通过平
衡右移能对抗外加碱的影响。
弱碱及其对应盐的缓冲作用原理,例如,NH3-NH4CL(即卩NH3-NH+4)溶液中,NH3能
对抗外加酸的影响是抗酸成分,NH+4能对抗外加碱的影响是抗碱成分。
前者通过下述平衡
向右移动而抗酸,后者通过平衡向左移动而抗碱,从而使溶液的PH值稳定。
二、缓冲溶液PH的计算
(一)亨德森方程式
在缓冲溶液例如HOAc—NaOAc溶液中,有以下的离解平衡:
等式两边各取负对数,则
即
HOAc的离解度比较小,由于溶液中大量的OAc-对HOAc所产生的同离子效应,使HOAc
的离解度变得更小。
因此上式中的[HOAc]可以看作等于HOAc的总浓度[共轭酸](即缓冲溶
液中共轭酸的浓度)。
同时,在溶液中NaOAc全部离解,可以认为溶液中[OAc-]等于NaOAc
的总浓度[共轭碱](即配制的缓冲溶液中共轭碱的浓度)。
将[共轭酸]和[共轭碱]代入上式,
则得
(3-11)
上式称为亨德森-哈塞尔巴赫方程式,简称为亨德森(Henderson)方程式。
它表明缓冲
溶液的
PH值决定于共轭酸的离解常数Ka和组成缓冲溶液的共轭碱与共轭酸浓度的比值。
对于
一定的共轭酸,PKa为定值,所以缓冲溶液的PH就决定于两者浓度的比值即缓冲比。
当缓冲溶液加水稀释时,由于共轭碱和共轭酸的浓度受到同等程度的稀释,缓冲比是不变的;在一定的稀释度范围内,缓冲溶液的PH值实际上也几乎不变。
式(3-11)中的浓度项指的是混合溶液中共轭酸碱的浓度,而不是混合前的浓度.若混合前
共轭酸的量浓度是c酸,体积是V酸,共轭碱的量浓度是c碱,体积是V碱,则式(3-11)可改写成:
(3-12)
若两种溶液的量浓度相等,则
(3-13)
若是等体积的两溶液相混合,则
(3-14)
以上几种形式都称为亨德森方程式,可用以计算各种组成类型缓冲溶液的PH近似值。
当用于弱酸及其对应的盐组成的缓冲溶液的PH值时,PKa即弱酸的离解常数负对数(见书
后附表),[共轭碱]即[弱酸盐]。
当用于多元弱酸的酸式盐及其对应的次级盐组成缓冲溶液的PH值时,共轭酸即酸式盐,pKa即该酸式盐负离子的离解常数的负对数,共轭碱即该酸式盐的次级盐。
例如,NaHC03—Na2CO3缓冲溶液的PH值:
(3-15)
式中PKa即H2CO3的PKa2。
同样,NaH2PO4—Na2HPO4缓冲溶液的PH值:
(3-16)
式中PKa为H3PO4的PKa2。
弱碱和它的共轭酸缓冲溶液的PH值也可根据式(3-11)计算。
(二)缓冲溶液PH值计算举例
例5的HOAc5OOmL与的NaOAc25OmL配成缓冲溶液,计算溶液的pH值。
解:
把所给条件代入式(3-11),由书后附表查得HOAc的pKa=,则得:
例6将溶液10mL与溶液10mL混合后制成缓冲溶液,试计算这个溶液的pH值(C时,
HOAc时pKa=。
从反应看出HOAc有1/3被OH-中和,生成OAc和H2O,溶液的总体积为20mL。
例7H2PO2-4已知的pKa=,求浓度为、的磷酸盐缓冲溶液的缓冲比以及共轭碱HPO2-4
和共轭酸H2PO2-4的浓度。
解:
设[H2PO2-4]为x因缓冲溶液的总浓度(共轭酸浓度+共轭碱浓度)为已c=故
[H2PO2-4]=(X
根据式(3-11)或式(3-14):
缓冲比为
X=,[HO2-4]=x=H2PO4]=三、缓冲容量与缓冲范围
(一)缓冲容量
缓冲能力的强弱,可用缓冲容量B表示。
缓冲容量也叫缓冲值或缓冲指数。
如图3-1所示,对任何一种缓冲溶液的每一个PH值,都有其相应的缓冲量。
缓冲容量
实际上是一个微分比,可定义为:
使1升缓冲溶液的PH值增高很小一个数值dPH时,需加入的强碱物质的量为db,则db与dPH之比值叫缓冲容量,用数学式表示为3=db/dPH缓冲mol•-1PH-1。
如总浓度(即共轭酸与共轭碱浓度之和)为L—的HOAc-NaOAc缓冲溶液(即醋酸缓冲溶液)的缓冲容量为(molL—1PH—1)。
图3-1醋酸缓冲溶液在不同缓冲比时的缓冲容量
在实际工作中,我们可以通过测量加入强碱的增量M(或加入强酸,相对于减少强碱
量-同时测量相应的PH值的增量△PH(或加入强酸,PH减小,-△PH,从两者比值求得3。
因此缓冲容量在数值上等于使1毫升缓冲溶液的PH值改变1个单位时所必须加入的强碱或强酸的物质的量(通常单位用毫摩)。
(3-17)
加入碱Ab以后,溶液PH值增大,加入酸以后(相当于减去△!
)溶液PH值减小,所
以3总是正值。
(二)影响缓冲容量的因素
缓冲容量的大小与缓冲溶液的缓冲比和总浓度有关。
设m和n分别为缓冲比中共轭酸和共轭碱的数值,即[共轭碱]:
[共轭酸]=n:
m,c总为总浓度,用下式可计算缓冲容量3
或3=>共轭酸]X共轭碱]/c总(3-18)
从式(3-18)及图3-1可以看出,缓冲溶液的缓冲容量取决于缓冲溶液的总浓度及缓冲比.可得出如下结论:
1.当缓冲溶液的缓冲比一定时,溶液的PH值也一定。
缓冲溶液的缓冲容量取决于缓冲溶液的总浓度和缓冲比的比值。
2.当缓冲溶液的PH值一定时,即缓冲比垢比值一定时,缓冲溶液的总浓度越大,则加入少量强酸或强碱所引起缓冲比的比值变化越小,PH改变越小,缓冲容量就越大。
图3-1
表示两种总浓度都一定的醋酸缓冲溶液的3分别随缓冲比和PH改变的情况。
总浓度为L—1
和molL—1的醋酸缓冲溶液,当缓冲比为1:
1时,PH为,3分别为和(molL—1PH—1),总浓度大的溶液缓冲容量较大。
从式(3-18)也可见,当缓冲比一定即m和n的数值一定时,
3与缓冲溶液的总浓度成正比。
总浓度一般在范围内。
3.当缓冲溶液的总浓度一定时,它的缓冲容量以缓冲比等于1(即[共轭碱]=[共轭酸])
时为最大。
这时溶液的PH=PKa当溶液的缓冲比与1偏离愈远,则PH值与PKa的偏差也
随着增大,溶液的缓冲容量也随着减小。
当溶液的缓冲比大于10/1或小于1/10时,则溶液
的缓冲容量极小,一般认为没有缓冲能力。
从图3-1看出,对总浓度一定的缓冲溶液来说,当缓冲比愈接近于1:
1,缓冲容量愈大;当缓冲比等于1:
1,即缓冲溶液的PH值等于PKa
时,缓冲容量达极大值(3极大)。
当m=n=1,式(3-18)成为
B极大=xixix极大*极大(3-19)
4.由足够浓度的共轭酸碱对组成的溶液,只能在一定的PH值范围内发挥有效的缓冲
作用。
这个能发挥有效缓冲作用的PH范围,叫缓冲范围。
当缓冲比为1/10时,PH=PKa-1;
当缓冲比为10/1时,PH=PKa+1故缓冲范围PH值大致在PKa-1至PKa+1约两个PH单位范围内,即在
PH=PKa±1
的近似范围内,才能表现出缓冲作用。
而且同一溶液在不同的PH值时,缓冲容量也不
相同。
从图3-1,缓冲超出此范围时,B值很小(v),已无缓冲作用。
5•不同缓冲对所组成的缓冲溶液,由于共轭酸的PKa值不同,因此它们的缓冲范围也
各不相同(表3-6)。
例8将溶液加入10mLpH值为的缓冲溶液中,缓站溶液的pH值变为,试求此缓冲溶液的缓冲容量。
解:
每毫升缓冲溶液中加入NaOH的毫摩尔数△b=*10
△卩日=表3—6几种常用缓冲溶液中共轭酸的PKa及缓冲范围缓冲溶液的组成共轭酸的PKa缓冲范围H2C8H4O4(邻苯二甲酸)-NaOH(即H2C8H4O-4-HC8H4O-4)(PKa1)〜KHC8H4O4()-NaOH(邻苯二甲酸氢钾)(即HC8C4O-4-C8H4O2-4)(PKa2)〜HOAc-NaOH(即HOAc-OAc-)〜KH2PO4-Na2HPO4(PKa2)〜Htris+-Tris[三(羟甲基)氨基甲烷-HCL]〜H3BO3-NaOH即卩H3BO3-H2BO-3)(PKa1)〜NaHCO3-Na2CO3即卩HCO-3-CO2-3)(PKa2)〜
例9
(1)求醋酸缓冲溶液的缓冲容量极大值;
(2)已知醋酸的pK=,求的醋酸缓冲
溶液的缓冲容量。
解:
(1)当缓冲溶液的缓冲比为1:
1,即m=1和n=1时,缓冲容量达极大值。
已知ca=。
则由式(3-19)
B极大=0.575c总=*=
(2)根据式(3-11),
所以缓冲比[OAc-]/[HOAc]=1
即m—1n=
代入式(3-18)得
四、缓冲溶液的配制
在配制具有一定PH值的缓冲溶液时,为了使所得溶液具有较好的缓冲能力,应注意以下原则:
1•选择适当的缓冲对,使配制溶液的PH值在所选择的缓冲对的缓冲范围内。
这个范围大约在PKa±1之内。
例如HOAc-OAc缓冲对的范围是,要配制PH从之间的缓冲溶液可选用这
一缓冲对。
2•缓冲对中作为共轭酸的PKa,应尽量接近于配制溶液的PH值。
例如,要配制PH为
的缓冲溶液时,可以选用HOAc-OAc=或HC8H4O4-C8H4O2-4缓冲对,因为恰恰在这两种缓
冲对的缓冲范围内。
但是,前者的共轭酸的PKa为;后者共轭酸的PKa为,所以选用
HC8H4O-4-C8H4O2-4配制的缓冲溶液较选用前者有更大的缓冲容量。
3.要有一定的总浓度(通常在之间)使所配成溶液具有足够的缓冲容量,并采用适当的
缓冲比使溶液的pH恰好等于所需要的PH值。
在具体配制时,为了简便起见,常用相同浓度的共轭酸碱溶液。
此种情况可用式(3-13)计算所需两种溶液的体积。
然后根据体积比,把共轭酸碱两种溶液混合,即得所需的缓冲溶液。
设溶液的总体积是V总,则式(3-13)改写成
或
例10如何配制100mLpH值为的缓冲溶液
解:
根据配制缓冲溶液的原则,可选择HOAc-OAc缓冲系